2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16030Der multiskalige, anisotrope Aufbau von Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV), führt zu einem komplexen Versagensverhalten. So treten unterschiedliche Versagensarten auf und das Matrixversagen auf der Mikroebene beeinflusst den Versagensprozess auf allen höheren Betrachtungsebenen. Delamination bezeichnet die Schichtentrennung unterschiedlich orientierter Lagen in einem FKV und ist ein kritischer Versagensfall, da er zu einer signifikanten Reduzierung der Tragfähigkeit der Laminate führt, besonders unter Druckbelastung. Thin-Ply bezeichnet Komposite mit einer Schichtdicke geringer als 60 m. Quasistatische UD-Zugversuche an ungekerbten, multidirektionalen Thin-Ply Laminaten haben gezeigt, dass die Initiierung von Matrixrissen bis kurz vor dem vollständigen Bruch verzögert wird, wodurch die Festigkeit signifikant erhöht wird. Die Unterdrückung der Matrixschädigung führt jedoch zu einer deutlichen Reduzierung der Festigkeit von gekerbten Laminaten, da kein Abbau von Spannungskonzentrationen durch Delamination auftritt. Jedoch ermöglichen Thin-Ply-Laminate auch gänzlich neue Ansätze zu Beeinflussung des Versagensverhaltens durch die erweiterten Freiheitsgrade bei der Gestaltung des Lagenaufbaus. So ist ein neuer Ansatz zur Beeinflussung des Schädigungsverhaltens von FVK die Verwendung von neuartigen, von der Natur inspirierten, Lagenaufbauten. Vielversprechend sind helikoide Lagenaufbauten, die in stoßbelasteten Körperteilen von Krustentieren zu finden sind, sogenannte Bouligand-Strukturen.Wie in den Vorarbeiten des Antragstellers gezeigt, kann durch die Verwendung von Bio-Inspirierten helikoiden Lagenaufbauten das Versagensverhalten von FKV so gesteuert werden, dass Delaminationen vollständig unterdrückt werden und nur subkritischer Matrixschaden vor dem ultimativen Versagen auftritt:• Delaminationsfreie Lagenaufbauten können durch Thin-Ply und kleine Winkel zwischen den Lagen realisiert werden.• Lagenaufbauten nahezu ohne Kerbwirkung können durch Thin-Ply und kleine Lagenwinkel erreicht werden.• Die Restfestigkeit nach Schlagschäden gegenüber herkömmlichen Laminataufbauten um 15% verbessert wurde.Aus den Ergebnissen ergeben sich aber auch Fragen:• Wie dünn muss die Einzellage sein und wie klein muss der Winkel zwischen den Lagen sein, um die Effekte voll ausnutzen zu können? Hierbei muss berücksichtigt werden, dass diese geometrischen Faktoren im Wesentlichen durch die Steifigkeit der Fasern und die interlaminare Energiefreisetzungsrate GIIc determiniert werden.• Wie sind der Grenzwinkel und die Grenzschichtdicke bei denen der Schadensmodus von subkritischen Matrixrissen zu interlaminarer Delamination wechselt?Dieses Forschungsvorhaben hat das Ziel das mechanische Verhalten von helikoiden Laminataufbauten vollständig zu verstehen und das Verhalten zu modellieren, um den hohen experimentellen Aufwand zu reduzieren und so helikoide Laminate technisch nutzbar zu machen.The multi-scale, anisotropic structure of fibre-reinforced polymer composites (FRP) leads to complex failure behaviour. Thus, different types of failure occur and the matrix failure at the micro level influences the failure process at all higher levels of observation. Delamination refers to the layer separation (delamination) of differently oriented layers in an FRP and is a critical failure mode as it leads to a significant reduction in the load-bearing capacity of the laminates, especially under compressive loading or loads outside the laminate plane. Thin-ply refers to composites with a layer thickness less than 60 m. Quasi-static UD tensile tests on unnotched, multidirectional thin-ply laminates have shown that the initiation of matrix cracking is delayed until just before complete fracture, significantly increasing strength. However, suppression of matrix damage results in a significant reduction in the strength of notched laminates, as no degradation of stress concentrations due to delamination occurs. The suppression of matrix damage in thin-ply laminates also affects the resulting damage from low velocity impact loading. However, thin-ply laminates also allow completely new approaches to influence the failure behaviour due to the extended degrees of freedom in the design of the layer structure. Thus, a new approach to influencing the damage behaviour of FRP is the use of novel, nature-inspired layer structures. Promising are helicoidal layer structures found in impact-loaded body parts of crustaceans, so-called Bouligand structures.As shown in the applicant's preliminary work, the use of bio-inspired helicoidal ply structures can control the failure behaviour of FRP such that delamination is completely suppressed and only subcritical matrix damage occurs before ultimate failure:- Delamination-free ply constructions can be realised by thin-ply and small angles between the plies.- Layer build-ups with almost no notch effect can be achieved by thin-ply and small layer angles.- The residual strength after impact damage was improved by 15% compared to conventional laminate structures.However, questions also arise from the results:- How thin must the single ply be and how small must the angle between the plies be to take full advantage of the effects? It must be taken into account that these geometric factors are essentially determined by the stiffness of the fibres and the interlaminar energy release rate GIIc.- What are the critical angle and the boundary layer thickness at which the damage mode changes from subcritical matrix cracking to interlaminar delamination?This research project aims to fully understand the mechanical behaviour of helicoidal laminate structures and to model the behaviour in order to reduce the high experimental effort and thus make helicoidal laminates technically usable.